Tokijas universitātes zinātnieki ir sīki izpētījuši ūdens kā šķidruma struktūru un atklājuši, ka tā īpašības ir atkarīgas no divu fāžu stāvokļu attiecības.
Ikviens zina, ka ūdens īpašības atšķiras no vairuma šķidrumu: tas sasalstot paplašinās (tāpēc ledus ir vieglāks), saraujoties, tā viskozitāte samazinās utt. Šīs šķietami anomālās īpašības mums skolā izskaidro ar ūdeņraža saišu klātbūtni starp molekulām. Tomēr detaļas joprojām ir slikti izprastas, lai gan tēma ir ārkārtīgi svarīga gan ķīmijai, gan fizikai. Ūdens specifiskās īpašības tiek izmantotas arī medicīnā un tehniskajās disciplīnās.
Tokijas universitātes Rūpniecības zinātņu institūts varēja attīstīties, izprotot ūdens struktūras fenomenu.
Ūdens šķidrā stāvoklī veido vietēja rakstura tetraedriskas struktūras, kas veidojas ar ūdeņraža saišu palīdzību - tas ir zināms jau ilgu laiku. Japānas zinātnieki ir noteikuši, ka ūdens nav tikai "nesakārtots ūdens", kurā peld "tetraedriskā ūdens" "daļiņas": sistēmā ir stāvokļa diagramma, kas līdzīga cietajām fāzēm.
Ir izstrādāts modelis, kas šķidro ūdeni uzskata par sistēmu, kas sastāv no divām fāzēm. Pirmais ir nesakārtots stāvoklis ar augstu rotācijas simetriju. Vienkārši sakot, tas ir, ka nav noteikta modeļa šķidruma molekulu "virzienos". Otrā fāze ir ne tikai tetraedrāli sakārtota, bet arī termodinamiski nesabalansētā stāvoklī. Šo stāvokļu mijiedarbību raksturo lambda parametrs (λ), kura fiziskā nozīme ir pāra un trīskārša rakstura starpmolekulāro mijiedarbību relatīvā stipruma novērtējums. Tas ir, parasti, starp divām brīvām molekulām un starp molekulām, kas veido tetraedrisko struktūru. Attiecīgi parametra λ pieaugums norāda uz sistēmas pasūtījuma pieaugumu.
Šis modelis izskatās vienkārši, taču tas labi paredz ūdens kā šķidruma patoloģisko uzvedību.
Viens no pētījuma vadītājiem Džons Russo skaidro: "… Palielinoties λ, tetraedriskie apvalki, kas veidojas ap katru molekulu, enerģētiski kļūst stabilāki." Tas kompensē enerģijas patēriņu struktūras pasūtīšanai kopumā. Zinātnieki, mainot λ, ir modelējuši fāžu diagrammas, kuru struktūra var būt diezgan negaidīta. Tātad kreisajā pusē redzamais attēls parāda Si34 tipa ūdens struktūru - tas veidojas zem negatīva spiediena. Turklāt tā struktūra ir klatrāta, tas ir, faktiski, tas ir iekļaušanas savienojums: dažas ūdens molekulas atrodas struktūras dobumos, ko veido citas tā molekulas.
Ūdens struktūras attēls fāzes stāvoklī Si34 (pa kreisi) un fāžu diagramma koordinātās λ / spiediens (pa labi) / Rūpniecības zinātnes institūts, Tokijas Universitāte.
Reklāmas video:
Atklātā atkarība nav lineāra, maksimālā ietekme uz ūdens īpašībām notiek pie λ = 23.15.
Hajime Tanaka, viens no projekta vadītājiem, atzīmēja pētījumu nozīmīgo lomu fizikālajā ķīmijā.
Makroskopisko parametru, piemēram, viskozitātes, attiecība pret mikroskopiskām struktūrām, kas iegūta, izmantojot salīdzinoši vienkāršu modeli, patiešām ir svarīgs sasniegums. No praktiskā viedokļa ūdens struktūras izpratnei vajadzētu palīdzēt attīstīt efektīvus smalkos filtrus.
Antons Bugačuks